葡萄糖生產(chǎn)中的結(jié)晶控制
隨著近幾年來葡萄糖在醫(yī)藥 、化工、食品行業(yè)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)葡萄糖生產(chǎn)得到了快速的發(fā)展，但是國內(nèi)葡萄糖生產(chǎn)工藝 過程、操作方式大都比較簡單落后，多數(shù)操作都是由人工現(xiàn)場來完成，技術(shù) 指標(biāo)很難保證。隨著DCS的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國內(nèi)葡萄糖生產(chǎn)工業(yè)的自動化、連續(xù)化水平也有了很大的提高，各個生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)未來市場對不同產(chǎn)品 的需求、降低成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程，大都已經(jīng)或準(zhǔn)備在其生產(chǎn)過程中采用DCS控制生產(chǎn)過程。其中浙江中控技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的WebField JX-300X DCS，在葡萄糖生產(chǎn)行業(yè)中有著較好的應(yīng)用，尤其是針對結(jié)晶過程的控制方面，采用了折線控制策略代替了原來的人工操作調(diào)節(jié)，達(dá)到了良好的控制效果。
WebField JX-300X DCS是浙江中控技術(shù)股份有限公司于1999年推出的集散控制系統(tǒng)，其采用WEB化體系結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的層次模型，實現(xiàn)了多種總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成的“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”，真正實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化，突破了傳統(tǒng)DCS、PLC等控制系統(tǒng)的概念和功能，比較容易實現(xiàn)過程控制、設(shè)備管理 的統(tǒng)一化。它具有開放性、兼容性、安全性、遠(yuǎn)程服務(wù)、故障診斷、實時仿真、易于使用和維護(hù)等特點。
葡萄糖生產(chǎn)工藝流程
圖1葡萄糖生產(chǎn)工藝流程框圖。
葡萄糖生產(chǎn)工藝過程是以玉米淀粉為原料，在高溫液化酶作用下，將淀粉乳糊化成一定分子量的糊精和低聚糖，再用糖化酶在一定的濃度、溫度和時間 下進(jìn)行糖化，使其水解成葡萄糖液。為了除去糖液中的雜質(zhì)，得到更高純度的葡萄糖，采用預(yù)涂層轉(zhuǎn)鼓過濾除去蛋白、活性炭稀脫色、陰陽離子交換、四效降膜蒸發(fā)濃縮、活性炭濃脫色、運動結(jié)晶等過程進(jìn)行精制提純，然后再經(jīng)過分離、氣流干燥 、流化床降溫、過篩、自動包裝過秤、塑合封口、噴碼、計數(shù)、自動入庫等工序，完成了葡萄糖從原料到成品的全過程，工藝流程如圖1所示。葡萄糖結(jié)晶工序位于整個生產(chǎn)過程中的后段，對最終產(chǎn)品的收率和質(zhì)量 起到十分關(guān)鍵的作用，同時由于選擇不同的品種其降溫過程曲線也有所不同，因此結(jié)晶過程的控制是整個葡萄糖生產(chǎn)控制過程中的難點和重點。
結(jié)晶過程控制的難點解決結(jié)晶工藝過程
圖2 結(jié)晶工藝流程框圖。
圖3結(jié)晶工藝流程框圖。
從脫色過濾工序來的濃糖糖漿，用泵打到結(jié)晶工序，經(jīng)過精密過濾器過濾后進(jìn)入板式換熱器冷卻，冷卻后的糖漿經(jīng)流量計進(jìn)行計量后注入結(jié)晶罐，結(jié)晶罐加滿后開始攪拌保溫，在保溫過程中，使新加入的糖漿與結(jié)晶罐內(nèi)預(yù)留的晶種進(jìn)行充分混合，保溫時間一到，糖漿的溫度也基本穩(wěn)定到了降溫開始的溫度，這時就可以根據(jù)不同的產(chǎn)品品種選擇不同的降溫曲線進(jìn)行降溫控制。攪拌繼續(xù)進(jìn)行，在這段時間內(nèi)通過冷媒水的回水溫度對回水閥進(jìn)行調(diào)整，使降溫過程嚴(yán)格按照降溫曲線進(jìn)行，當(dāng)設(shè)定的降溫時間到時，葡萄糖液溫度也達(dá)到了工藝要求值，這樣結(jié)晶出的葡萄糖晶體質(zhì)量好，收率也高。然后關(guān)閉冷媒水閥，把結(jié)晶好的3/4糖膏通過放料閥放入輸送螺旋，送到下一工序即分離工序的糖膏分配器，1/4預(yù)留等待下一個結(jié)晶周期開始，結(jié)晶過程結(jié)束。
圖4濃糖脫色過濾。
主要控制回路實現(xiàn)
降溫過程中的降溫曲線是在長期生產(chǎn)過程中根據(jù)不同的產(chǎn)品總結(jié)出來的獲得最佳收率的經(jīng)驗曲線；降溫是通過夾套、盤管循環(huán)冷媒水進(jìn)行的，由于降溫過程的時間較長，從30~60h不等，加之溫度本身的滯后，因此控制難度較大。經(jīng)過反復(fù)摸索試驗后，在控制方式上我們采用了冷媒水溫度和結(jié)晶罐溫度組成的串級回路，而溫度的設(shè)定則根據(jù)降溫曲線分解為若干折線進(jìn)行選擇輸出。這樣就可以實現(xiàn)了隨著時間不同設(shè)定不同的溫度值，保證了降溫過程的實時跟蹤，達(dá)到預(yù)期的控制效果，如圖3所示。
結(jié)晶過程第一步，首先從濃糖脫色來的糖漿經(jīng)過泵打入圖4中的E1221板式換熱器，通過對循環(huán)水出水閥TRCA228A的控制來控制進(jìn)入結(jié)晶罐的糖漿溫度，經(jīng)過換熱后的糖漿流經(jīng)流量計FIQ2280D測量并累積后進(jìn)入結(jié)晶罐，通過流量計累積可以隨時掌握進(jìn)罐濃糖漿的體積量，同結(jié)晶罐內(nèi)通過液位計算出的體積進(jìn)行比較參考。濃糖漿換熱降溫參數(shù)量較為簡單，采用出換熱器的糖漿溫度為主參數(shù)組成單回路控制即可。另外由于結(jié)晶打料過程為間歇過程，因此對于流量計的累積可設(shè)定一個清零按鈕進(jìn)行每次打料的清零統(tǒng)計運算，以便更直觀地對打料量進(jìn)行監(jiān)測。
圖5降溫曲線圖。
結(jié)晶過程第二步是整個生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵，它包括保溫和降溫兩個過程。根據(jù)用戶多年的生產(chǎn)操作經(jīng)驗，對于不同的葡萄糖品種得出了各自不同的較為成熟的降溫曲線，如圖5所示的就是一條降溫曲線示意圖，其中0~T1這段時間內(nèi),保溫時間一般可設(shè)定為18~30h不等，T1~T2為降溫時間，可根據(jù)不同品種設(shè)定為從30~60h不等。由于結(jié)晶罐沒有加熱裝置，同時在保溫過程中冷媒水閥也是關(guān)閉的（即不需降溫），因此只能利用進(jìn)料溫度和不斷攪拌使?jié)馓菨{與結(jié)晶罐內(nèi)的晶種進(jìn)行充分均勻混合來維持。（這也是前面提到的進(jìn)料溫度需要一定的控制，根據(jù)不同的環(huán)境溫度設(shè)定不同的濃糖進(jìn)料控制溫度。）當(dāng)保溫時間到時，結(jié)晶罐的糖漿溫度也基本達(dá)到了45℃或預(yù)先設(shè)定的溫度，這時就可以進(jìn)入到下一過程——降溫過程了。
降溫是冷媒水通過夾套盤管進(jìn)行的，時間上存在著一定的滯后性，同時溫度測量本身也存在滯后，因此控制方案設(shè)計時應(yīng)充分考慮到這方面的因素。結(jié)晶罐內(nèi)通過不斷攪拌進(jìn)行濃糖糖漿和晶種的充分混合反應(yīng)，使得降溫過程中罐內(nèi)各點均勻進(jìn)行，保證罐內(nèi)溫度保持一致，可以把罐內(nèi)物料溫度作為直接的被控參數(shù)，而冷媒水的回水溫度則是對物料溫度變化趨勢的一個預(yù)測參數(shù)，因此通過以上分析 并根據(jù)工藝過程和操作人員的經(jīng)驗，采用如圖6所示的串級控制方式：以結(jié)晶罐內(nèi)物料溫度控制為主回路，冷媒水回水溫度控制為副回路，輸出直接控制冷媒水回水流量閥。同時通過降溫曲線計算出從降溫過程開始在不同的進(jìn)料時刻給出主回路控制溫度不同的設(shè)定值。整體方案確定后，為了保證控制效果，在具體的實施過程中還有兩個問題需要解決，一是降溫曲線的分解和計算，二是對回路的PID參數(shù)的整定。
圖6串級回路示意圖。
降溫曲線的分解和計算：首先根據(jù)不同的產(chǎn)品繪制出不同的降溫曲線，然后分解成3~4段均勻的二維折線，多條折線的細(xì)分降低了計算的誤差，如圖7所示。不同折線之間首尾相連，避免了在降溫過程中因不同時段折線切換時而引起的跳變。
為了使操作人員更好、更直觀地操作，在編程過程中，還可以使內(nèi)部時鐘和系統(tǒng)時間進(jìn)行每一步操作以及總操作的計時顯示，使操作人員在整個結(jié)晶過程中始終能夠看到每一個結(jié)晶罐的進(jìn)行狀態(tài)，如反應(yīng)時間、保溫時間以及進(jìn)行時間。同時還可以在不同階段使用聲光報警及時提醒操作人員注意，這樣就大大降低了操作人員的勞動強度。
葡萄糖結(jié)晶，一般是根據(jù)產(chǎn)量的不同使用不同數(shù)量或體積的結(jié)晶罐，不同的結(jié)晶罐降溫過程只是存在著一定時間上的差異，其工藝管道和操作原理基本相同，這也就可以較好地實現(xiàn)程序的模塊化和通用性，因此在編程過程中我們使用JX－300X中的圖形化編程，先是通過程序編制成自定義模塊，然后在各個不同的結(jié)晶罐程序中進(jìn)行引用，無論現(xiàn)場是有一個結(jié)晶罐還是十個或是幾十個，都可以重復(fù)引用，從而避免了重復(fù)程序而使得程序量增大，這樣既降低了編程人員的工作強度，同時也降低了系統(tǒng)的運算負(fù)荷，實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。
圖7二段二維折線表。
系統(tǒng)應(yīng)用效果
在系統(tǒng)投運后，經(jīng)過一年半時間的運行，也進(jìn)行了不斷的程序改進(jìn)和參數(shù)的調(diào)整，基本上達(dá)到了預(yù)期的控制效果：
在工藝正常情況下，自動投運率達(dá)到了95%以上；
用戶各項目工藝指標(biāo)達(dá)到了較高水平，控制精度能夠穩(wěn)定在±2℃之內(nèi)，如圖8所示；
產(chǎn)品質(zhì)量和收率也有了較大的提高；近三個月的歷史趨勢記錄 ，為產(chǎn)品的經(jīng)驗總結(jié)及事故分析提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料；
結(jié)晶罐高度、體積測量直觀顯示，杜絕了罐內(nèi)高度、體積的人工測量產(chǎn)生的事故；
人機界面清晰友好，大大縮短了操作人員培訓(xùn) 的時間以及操作強度。
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